水泥生产线全集成自动化控制系统的设计与应用|自动化控制系统

　　摘要：阐述了应用网络信息自动化技术推动水泥工业技术进步和产业技术升级改造的重要性，探讨了水泥生产线全集成自动化控制系统的总体设计方案、硬件结构和软件方案，分析了系统应用后的社会经济效益。
　　关键词：水泥生产 全集成自动控制 PLC DCS
　　中图分类号：X951 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）09（c）-0064-02
　　水泥大规模集成自动化生产过程是一个复杂的理化反应过程，不仅其调控系统具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，同时整个生产线的运行工况较为复杂多变、设备相互间联锁众多、各种检测信号间相互影响较大，如果采用常规的现地人工控制或继电器仪表静态监视控制，很难达到现代化水泥生产工艺自动化控制要求。本文针对水泥生产线自动控制需求，采用以PLC可编程控制器为核心的DCS控制系统，设计具有面向水泥全厂总生产过程在线监控的全厂计算机监控系统，通过实现水泥生产全过程各阶段动态监控管理一体化，使水泥在生产过程中不仅具有先进的过程控制自动化水平，同时为水泥生产管理信息化提供重要信息源。
　　1 全集成自动控制系统总体方案
　　水泥生产线中主流控制系统依然以PLC+DCS控制系统为主，且PLC+DCS控制系统将会在很长一段时间内在水泥全集成生产线中发挥非常良好的应用效果。尤其在网络集成集约化功能需求的当今，具有联网数据信息通信共享的PLC控制器已成为控制系统的核心，能够有效支持现场总线协议，实现水泥生产线中DCS与PLC在全过程在线监视控制系统中的有效集成。根据现代化水泥集成自动化生产线实际功能需求，笔者提出一套水泥生产线全过程各环节计算机在线监控与管理方案，全线采用具有联网通信功能的PLC控制器+DCS构筑完善的水泥生产线在线监控系统。基于CAN总线的水泥生产线全集成自动化控制系统总体方案如图1所示。
　　从图1可知，以PLC为核心的现场站完成控制系统各环节中的模拟量/数字量数据采集和集中控制功能。工程师站和操作员工作站主要实现在中控室对现地所有监控设备远程操控、故障报警、运行状态仿真显示、运算数据分析存储、统计分析报表、趋势显示，可以根据系统运行需求和调控要求定时或随时打印出监控人员所需的各种运行工况状态数据信息。可设总工程师和厂长指挥信息管理系统、生产调度系统等，使总工程师和厂长能够实时掌握和了解现场水泥生产线的运行工况状态，便于其制定科学合理的调控决策，提高全厂科学合理、高效经济的管理水平。
　　2 全集成自动控制系统硬件设计
　　根据水泥生产线操作、监视、控制等实际功能需求，在全集成自动化控制系统设计过程中力求功能结构的简明清晰、投资性价比较高、运行安全可靠性较高、功能集成完善的特性，按照分层分布式结构构筑控制系统结构。控制系统按照功能结构要求，分为现场设备层、过程控制层、以及主站监控层三层。现场设备层通过过程控制层通信网络与主站监控层进行数据信息的实时共享。采用光纤以太网技术，通讯速率可以达到100Mbps，同时具有非常良好的抗干扰能力。数据采集系统采用成熟的SuperInfo2.0数据采集智能模块，其可以满足水泥生产线自动控制系统数据信息接口、实验室调速数据接口、人工输入数据接口等相关工单元共同构成，其中自动控制系统数据接口主要采集水泥生产线中已运行和正在实施的DCS分散集控系统、PLC现地控制单元等控制系统中的实时运行数据信息，同时按照扩容扩展功能需求预留控制系统与其它系统间交互通信的接口，接口均按照网络通信协议要求配置独立网关模式，通过TCP/IP网络通信协议就可以完成不同控制系统间的网络连接。
　　2.1 现场设备层
　　从图1可知，水泥生产线中的现场监控设备较多，需要采集的数据信号量种类较繁杂、数量较多，主要包含压力、流量、电流、转速等信号。数据采集智能模块先通过内部A/D模数转换单元，将压力、流量等模拟量信号转换成计算机能够识别的标准点信号后，通过通信通道远程传送到水泥生产线集控中心，同时主站监控系统通过网络通信信号直接额接收现地PLC控制单元发出的对应控制信号，实现对现地设备系统的远程监视调控。由于水泥生产线较大，有些信号传输距离较远，且现场电磁干扰较为严重，所以在控制系统设计时其现场检测信号宜采用4～20mA标准直流信号表；而温度测量点是水泥生产线控制的核心，其温度传感器集中布设在烧成部分，且温度范围在100～1200℃大范围内波动，因此选用K和E分度的热电偶和高精度的温度控制器。
　　2.2 过程控制层
　　由于水泥生产线全集成自动化控制系统中的数字量、开关量约占控制系统总输入输出接点数的80%左右，同时整个控制过程主要以顺序控制、连锁控制为主，因此，控制系统在设计时选用三菱A系列PLC作为整个水泥生产线过程控制层的控制站，以完成对现地设备数据信息的集成整理和主站控制层控制命令的远程传达。
　　2.3 主站监控层
　　主站监控层主要完成整个水泥生产线的模拟仿真显示、过程状态监视、运行数据记录分析处理、运行趋势分析、远程操控等功能。主站监控层除了上述多种的可视化服务功能外，还可以通过计算机自动分析形成对应的操控决策，通过通信网络将相应远程操控命令传输到现代操现地电机和各种电器设备，远程操控完成电机的顺序启动、顺序停车、以及事故紧急停车等远程操作。
　　3 全集成自动控制系统软件设计
　　水泥生产线全集成自动化控制系统中各控制子系统大多具有非线性滞后特性。非线性多变量滞后系统的回路间通常需要相应功能的耦合匹配，因此常规现地分散控制很难满足水泥生产线集成自动化控制功能。采用神经网络的BP“自学习训练”算法，通过对NNC加权处理完成对非线性多变量滞后系统的实时调整，使水泥生产自动控制系统具有较强适应性和自整定特性，进而达到全集成自动化控制功能。
　　4 系统应用效果分析
　　水泥生产线全集成自动化控制系统，是结合水泥企业实际生产功能进行开发设计，能在水泥企业实际生产线中成功应用实施，能够满足现代化集成大规模水泥生产要求，有助于节省原料和能源量消耗，提高控制系统数据信息综合利用效率，确保控制系统高效稳定的运行，降低单位产品的综合生产成本，显著提高了水泥生产企业水泥生产的社会经济效益。与改造实施前相比，吨水泥所消耗的能源资源下降了5%，产量提高了65%，设备运转率提高了5%，工人劳动强度大大降低，所取得的社会经济效益相当可观，具有非常好的应用前景。
　　5 结语
　　水泥生产现代化、集成化、集约化功能需求，发展基于PLC+DCS总线的全集成自动化控制系统以及生产流程的智能自动化控制算法，将成为水泥行业自动化研究发展的重点。在控制系统设计过程中，只有真正了解水泥生产工艺流程和物料特性，并优选先进而成熟的监控设备和软硬件系统，才能确保水泥生产系统达到全集成高自动化程度，推动水泥企业安全可靠、节能经济的进行水泥产品生产。
　　参考文献
　　[1]刘国海.集散控制与现场总线[M].机械工业出版社，2006.
　　[2]杨扬，马晨宇，吕永幸.水泥包装袋计数器的研发和应用[J].水泥，2008（10）：60-62.

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